Apostila Materiais - Tecnologia dos materiais, Notas de estudo de Engenharia Mecânica

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Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais

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Alexandre Rangel

Belo Horizonte

1 Perspectiva Histórica

Os materiais são tão importantes no desenvolvimento da civilização que nós associamos as Eras com eles. Na origem da vida humana na terra, a Idade da Pedra, pessoas usavam apenas materiais naturais, como a pedra, argila, peles e madeira. Quando o cobre foi descoberto e que podia-se torná-lo mais duro pela formação de ligas, teve-se início a idade do bronze, cerca de 3000 anos antes de cristo. O uso do ferro e aço, um material mais resistente, que implicou em vantagens em guerras, iniciou cerca de 1200 antes de cristo. A próxima grande etapa foi a descoberta de um processo barato para fazer aço cerca de 1850 depois de cristo, que permitiu a construção das estradas de ferro e da infraestrutura moderna do mundo industrial. Os primeiros estudos e registros dos costumes das antigas tribos humanas já apontavam a relação de nossa espécie com os materiais, tanto é que vários períodos do progresso humano recebem os nomes de "Idade da Pedra", "Idade do Bronze", "Idade do Ferro" e assim por diante. Nosso ancestral, o homem de Neandertal1, nunca imaginou que ao lascar e polir pedaços de pedra, para criar instrumentos que lhe facilitavam a caça e os trabalhos do dia a dia, estaria alicerçando o primeiro passo de tantas outras gerações que, após a pedra lascada, descobriram materiais que facilitariam a vida do homem moderno. Com a curiosidade e muitas vezes por acidente o homem foi descobrindo novos materiais, como, por exemplo, a argila, que permitiu a criação de recipientes para armazenar alimentos e facilitar o transporte de objetos, que foi o primeiro impulso para o desenvolvimento das cerâmicas. Milênios depois nossos antepassados descobriram os materiais metálicos, como o ferro, bronze, ouro e prata, que foram, e são até hoje, a base de desenvolvimento de centenas de aplicações que utilizamos em nossa vida. Aproximadamente no ano 5.000 AC, teve-se notícia dos primeiros utensílios a partir de metais e ligas, como o arado, a carroça e as embarcações a vela, que são o início de grandes descobertas. No princípio da era cristã o homem já conhecia sete metais: cobre, prata, chumbo, estanho, ferro, mercúrio e ouro, mas as informações sobre os mesmos e suas possibilidades de aplicação ainda eram muito restritas, pois todos estudos eram essencialmente fruto de muita boa vontade dos alquimistas da época, sendo totalmente empíricos. O entendimento de como os materiais os materiais se comportam e porque eles diferem em termos de propriedades só foi possível com o entendimento atomístico possibilitado pela mecânica quântica. A combinação da física e química e o foco no relacionamento entre estrutura e propriedades de um material e sua microestrutura é o domínio da ciência dos materiais. O desenvolvimento desta ciência permitiu o design de materiais e providenciou uma base de conhecimento para as aplicações de engenharia (Engenharia de Materiais). A cultura moderna na segunda metade do século 20 é algumas vezes denominada de “plástica”, uma referência não tão cortês aos materiais poliméricos econômicos e de baixo peso

As ligas metálicas são formadas por um elemento metálico (o principal e em maior quantidade) e outro(s) elementos(s) que pode(m) ser metálico(s) ou não. Alguns exemplos são o aço carbono, material que é constituído de ferro (principal) e carbono (ametal), aço rápido que além do ferro e do carbono pode conter na composição o tungstênio, o molibdênio e o cromo. O latão, uma liga de cobre e zinco. Para todos os metais comerciais existem as suas respectivas ligas. Ou seja, tem-se as ligas de magnésio, de alumínio, de cobre, de níquel, de titânio, etc. Exceto os metais nobres, quase sempre se faz necessário realizar algumas reações químicas para se obter um metal, pois na natureza eles estão combinados quimicamente com ametais, principalmente o oxigênio, o carbono, o enxofre. O material disponível na natureza a partir do qual o metal é obtido é o minério. Os materiais metálicos são em geral bons condutores elétricos e térmicos, apresentam boa resistência mecânica, apresentam superfície brilhosa quando recentemente cortada. Apresentam plasticidade, podendo mudar de forma a partir de um esforço mecânico aplicado, ou seja, podem ser dobrados, estirados, etc. Os metais são usados em aplicações diversas na atualidade, como na construção de equipamentos, máquinas, automóveis, ferramentas de corte, indústria de armamentos, na construção civil, inúmeros setores.

2.2 Polímeros

O termo polímero é a junção de “poli” que significa muitos, e “mero” que significa unidades de repetição. Portanto, polímeros são compostos macromoleculares, em que as macromoléculas se caracterizam pela repetição de um mesmo tipo de unidade (grupo de átomos). Os polímeros são naturais ou sintéticos. Os polímeros estão presentes nas plantas, nos animais em geral. Para se obter os polímeros sintéticos utiliza-se como matéria-prima derivados do petróleo. Reações químicas desses derivados petróleo implicam na obtenção das macromoléculas poliméricas. Devido aos polímeros serem constituintes de matéria-orgânica (naturais) ou serem obtidos a partir de derivados do petróleo (sintéticos) pode-se deduzir que o carbono é um dos seus principais átomos. Além do carbono, outros elementos são comuns, como o hidrogênio, o oxigênio, o flúor, o nitrogênio, entre outros (praticamente apenas ametais). De maneira geral, os polímeros são considerados materiais leves (baixa densidade), possuem baixo ponto de fusão (o que facilita a transformação em produtos, mas limita a temperatura de uso), isolantes. Alguns exemplos de polímeros: polietileno (PE), poliestireno (PS), poli(etileno tereftalato) (PET); borracha natural; celulose, amido, poli(cloreto de vinila) (PVC), etc. Importante lembrar que também existem polímeros que não são a base do carbono, por exemplo, os polímeros de silício.

2.3 Cerâmicos

Os solos, as rochas, as argilas, a areia são todos materiais cerâmicos. As rochas podem ser utilizadas na construção civil, as argilas são usadas para obtenção dos tijolos, telhas, louças sanitárias etc. A areia pode ser usada na construção civil, para fazer vidro. O alumínio é um metal, mas o material a partir do qual ele é obtido é cerâmico, o óxido de alumínio (Al 2 O 3 ). O óxido de ferro a partir do qual o ferro é obtido, é cerâmico. As argilas são compostos contendo óxidos de silício (um metalóide) e alumínio, podendo ter outros elementos metálicos na composição, como sódio, magnésio, cálcio, etc. A areia é composta de óxido de silício. A partir dos exemplos citados pode-se concluir que, em relação aos átomos constituintes, as matérias-primas cerâmicas são quase sempre combinações de átomos metálicos e metalóides com ametais. Podem citados: óxidos diversos, como o de alumínio, de ferro, de magnésio, de cálcio, de titânio, etc. Existem também os carbetos de metais, ou seja, compostos de carbono com elementos metálicos, os sulfetos de metais (enxofre + metal), os nitretos (nitrogênio + metal), entre outros. Produtos cerâmicos como tijolos, telhas, entre outros, para adquirirem resistência mecânica adequada, faz-se necessário elevar a temperatura para que as partículas de argila se unam. Para se obter o vidro, a areia tem que sofrer fusão e o vidro é obtido com o resfriamento da massa fundida. As temperaturas utilizadas são bem elevadas. Aspectos relacionados aos materiais cerâmicos são o alto ponto de fusão, estabilidade química, são frágeis (não se deformam muito antes de fraturar quando um esforço mecânico é aplicado). Um aspecto importante é que muitos materiais cerâmicos contem na composição o silício e o oxigênio. Isto porque 74% da massa da crosta terrestre é formada por estes dois elementos químicos. Os compostos a base de silício e oxigênio são chamados de silicatos. As argilas são silicatos, a areia também é um tipo de silicato.

2.4 Compósitos

Outra importante classe de materiais é composta de algumas combinações de materiais individuais das categorias prévias. Este quarto grupo denomina-se compósitos. Um exemplo é a resina epóxi reforçada com fibra de vidro, em que se obtém um produto com uma combinação das propriedades dos dois componentes (um polímero com uma cerâmica). Este produto é usado para fazer piscinas, barcos, jet-skis. Os compósitos:

• são materiais compostos de mais de um tipo de material: (cerâmica-polímero); (metal- cerâmica); (cerâmica-cerâmica); (metal-polímero); (polímero-polímero), etc.

elétrons entre os átomos, eles se transformam em cargas elétricas de sinais opostos que, portanto, se atraem formando a ligação iônica. Um aspecto importante relacionado à ligação iônica é que ela é uma ligação não-direcional. Isso significa que no momento que o átomo se transforma em um cátion (após doar elétrons) ou anion (após receber elétrons), a carga elétrica atrai o máximo possível de cargas de sinal oposto, e não apenas uma. A limitação da quantidade de vizinhos vai ser devido à neutralidade elétrica necessária e a diferença de tamanho entre as cargas. Portanto, a ligação iônica favorece a formação de redes de átomos. Muitos materiais cerâmicos são formados por ligações iônicas (total ou parcial). Uma medida do quão forte é uma ligação é a energia de ligação. Para sólidos iônicos esta energia é considerada alta e um reflexo direto disso é o alto ponto de fusão destes materiais.

3.2 Covalente: A ligação covalente ocorre entre átomos ametais. Ela se da pelo compartilhamento de elétrons entre os átomos em busca de uma configuração mais estável. Nesse tipo de ligação os elétrons participantes da ligação ficam entre os núcleos dos átomos, o que caracteriza esta ligação ser direcional. A valência que vai definir o número de vizinhos de cada átomo. Por exemplo, quando uma molécula de oxigênio é formada (O 2 ), os dois átomos compartilham 2 elétrons, que ficam entre os núcleos, e resulta em uma forte ligação. Diferente da ligação iônica em que cada átomo atrai fortemente diversos átomos de carga oposta em volta deles, nesse caso a molécula de oxigênio age como uma entidade independente, e uma molécula de O 2 exercerá uma fraca interação sobre outra molécula de O 2. Então para promover a fusão do oxigênio não é necessário superar a ligação covalente, mas apenas separar uma molécula de outra, que necessita de pouca energia, o que explica esta substância ser um gás na temperatura ambiente. Esta explicação serve para a maioria dos polímeros, em que apesar de existir uma forte ligação covalente entre os átomos formando uma macromolécula, a interação entre as macromoléculas, devido à inexistência de doação ou compartilhamento de elétrons entre elas, é bem mais fraca. Os polímeros, no entanto, são sólidos na temperatura ambiente, diferente do gás oxigênio, isso porque as moléculas de polímero são muito grandes e as interações entre elas são suficientes para estes materiais serem sólidos. As interações existentes entre as moléculas são chamadas de ligações secundárias. Quando o material como um todo é formado apenas por ligações covalentes ele será rígido porque a ligação covalente é considerada forte. Um exemplo é o diamante, um material de alto ponto de fusão e duro, em que cada átomo de carbono se liga covalentemente a quatro outros átomos de carbono, formando uma rede. Portanto, o diamante não é um sólido molecular como os polímeros, e sim um sólido covalente, uma rede formada covalentemente.

3.3 Metálica: a ligação metálica é a ligação referente aos materiais metálicos. Pode-se pensar nessa ligação como sendo uma rede de cátions metálicos em um mar de elétrons (ou nuvem

eletrônica) de valência. Os elétrons estão confinados ao metal por meio de atrações eletrostáticas aos cátions. Eles estão uniformemente distribuídos na estrutura. Entretanto, os elétrons são móveis e nenhum elétron de valência individual está confinado a qualquer íon metálico específico. Quando um fio metálico é conectado aos terminais de uma bateria, os elétrons fluem pelo metal no sentido do terminal positivo para dentro do metal a partir da bateria no terminal negativo. A alta condutividade térmica dos metais também é explicada pela mobilidade dos elétrons, que permite a rápida transferência de energia pelo sólido. A ligação metálica também é não direcional. Considerando um metal puro, os elementos metálicos no estado sólido são os de maior empacotamento atômico, ou seja, cada átomo tem uma grande quantidade de vizinhos e o espaço é ocupado de maneira eficiente por átomos.

4 A estrutura dos metais

Os materiais sólidos podem ser classificados quanto à regularidade com que os átomos ou íons são arranjados, um em relação ao outro. Um material cristalino é aquele em que os átomos são arranjados de forma repetitiva ou periódica por distâncias correspondentes a várias distâncias atômicas ( ordem a longas distâncias ). Eles formam um padrão tridimensional repetitivo no estado sólido, em que cada átomo se liga a seus vizinhos mais próximos. Os metais, muitas cerâmicas e alguns polímeros formam estruturas cristalinas sob certas condições de solidificação. Para os que não cristalizam a ordem atômica a longas distâncias está ausente, e o material é denominado não-cristalino ou amorfo. Algumas das propriedades dos sólidos cristalinos dependem da estrutura cristalina do material, a maneira como os átomos, íons ou moléculas são arranjados espacialmente. Há um grande número de estruturas cristalinas possíveis. Para os metais elas são mais simples, diferentemente dos materiais cerâmicos e poliméricos, em que se verificam, em alguns casos, estruturas complexas. Nos modelos para descrição de estruturas cristalinas, os átomos são considerados esferas rígidas. Os átomos tocam os vizinhos mais próximos. O termo rede é usado no contexto de estrutura cristalina e significa o arranjo tridimensional de pontos coincidentes com as posições atômicas, o centro dos átomos.

4.1 Célula unitária:

A ordem atômica em sólidos cristalinos indica que pequenos grupos de átomos formam um padrão repetitivo. Então, ao descrever estruturas cristalinas, geralmente é conveniente subdividir a estrutura em pequenas unidades de repetição chamadas de células unitárias. Para

aplicação pode ser de apenas uma fração de segundo, ou durar anos. A temperatura de serviço pode ser um fator importante.

Tensão x deformação:

Se uma carga é estática ou muda lentamente com o tempo e é aplicada uniformemente sobre uma seção transversal ou superfície de uma peça, o comportamento mecânico pode ser medido por um teste simples de tensão-deformação; estes testes são mais comumente conduzidos para metais na temperatura ambiente.

Escoamento e resistência ao escoamento : muitas estruturas são projetadas para sofrerem apenas deformações elásticas. É então importante conhecer o nível de tensão em que a deformação plástica começa, ou seja, saber quando o escoamento inicia. Para alguns metais a transição entre região elástica e região plástica é gradual e por isso convenciona-se um valor (por exemplo, 0,002 de alongamento). A tensão correspondente é denominada de tensão de escoamento. Outros metais possuem o ponto de escoamento bem definido (fenômeno do ponto de escoamento). O valor inferior (média) é geralmente considerado como a tensão de escoamento, nestes casos. A magnitude da resistência ao escoamento é uma medida da resistência a deformação plástica.

Resistência a tração (limite de resistência) : é o valor máximo de tensão de engenharia na curva Tensão x Deformação. Corresponde à máxima tensão que pode ser suportada pela estrutura. Se este valor de tensão for aplicado e mantido ocorrerá a fratura. No valor de tensão máxima surge um pescoço no corpo-de-prova (a peça de teste).

Tenacidade : é um termo da mecânica usado em vários contextos; de maneira simplificada significa a medida da habilidade de um material absorver energia até fraturar. Para condições de carregamento dinâmico e quando um entalhe está presente, a tenacidade sob entalhe é medida por meio de um ensaio de impacto. Já a tenacidade à fratura é uma propriedade indicativa da resistência do material à fratura, quando uma trinca está presente. Para uma situação estática, um indicativo de tenacidade é a área sob a curva Tensão x Deformação. Para um material ser considerado tenaz ele deve reunir uma alta resistência com ductilidade. Um material pode apresentar maior resistência e ser menos tenaz do que outro que é menos resistente, porém mais dúctil.

Ductilidade : é outra propriedade mecânica importante. É uma medida do grau de deformação plástica sofrido por um material submetido ao esforço até sofrer ruptura. Um material que sofre

pouca deformação plástica antes de sofrer ruptura é considerado frágil. Se suportar grandes deformações é considerado dúctil. A ductilidade pode ser expressa quantitativamente como a (%) de deformação ou (%) de redução de área. A percentagem de elongação é a (%) de deformação plástica na fratura. % el = 100 x (lf – lo)/lo lf é o comprimento na fratura; lo é o comprimento inicial. Um material é considerado frágil quando apresenta deformação na ruptura inferior a 5%.

Resiliência : é a capacidade de um material absorver energia quando deformado elasticamente e, após a remoção da carga, ter a energia recuperada. Materiais resilientes são os que reúnem alta resistência ao escoamento e baixo módulo de elasticidade; tais ligas são apropriadas para construção de molas.

Dureza : outra propriedade mecânica que é importante destacar é a dureza, que é uma medida da resistência do material à deformação plástica localizada, tem correlação com as propriedades de tração do metal. Esta propriedade é avaliada por ensaio de dureza que implica na aplicação de uma carga padronizada, utilizando um penetrador, sobre a superfície do material de teste. Alguns ensaios são baseados na profundidade alcançada pelo penetrador (Rockwell) e outros são baseados na área formada na superfície pelo penetrador (Brinell e Vickers).

4.4 Outras propriedades importantes

Temperabilidade : relacionada aos aços. Relaciona-se a facilidade com que um aço tem de ser temperado. Soldabilidade : habilidade de ser soldado. Resistência a oxidação : resistência que o material oferece a ação ambiental, ou seja, de ser oxidado pelo ambiente. Dureza a quente : manutenção da dureza de um metal em temperaturas elevadas.

5 Estrutura x Propriedades

Qualquer propriedade de um metal depende da composição do metal (ou liga metálica) e da estrutura. Em relação aos metais puros, estudos teóricos indicavam que os metais deveriam ter resistência mecânica cerca de 1000 a 10.000 vezes maior do que a observada em ensaios. Na época a explicação dada foi que existiam defeitos na estrutura cristalina dos metais que

terá propriedades diferentes. Muitas vezes uma peça sólida se aquecida até certos valores de temperatura (mesmo no estado sólido) e resfriada rapidamente também sofre tais mudanças estruturais. Isso vai depender da liga. Mas o tratamento térmico, é importante enfatizar que existem diversos tipos, é um recurso bastante utilizado para o controle de propriedades dos materiais metálicos.